Методы управления горным давлением
Способы управления горным давлением при очистной выемке можно разделить на 3 группы:
1.) естественное поддержание очистного пространства при выемке руды;
2.) обрушение вмещающих пород на отбитую руду (т.е. при выемке руды очистное пространство не поддерживается);
3.) искусственное поддержание очистного пространства при выемке руды.
1. Естественное поддержание очистного пространства при выемке руды осуществляется за счет естественной устойчивости окружающих пород и еще не выработанных участков руды. Горное давление при этом регулируют за счет выбора формы и размеров очистного пространства и размеров поддерживающих целиков.
2. Обрушение вмещающих пород на отбитую руду, произведенное своевременно, позволяет избежать внезапных самообрушений больших масс пород и снижает опорное давление в соседних блоках. Обрушение вызывают или обнажением пород, или взрыванием зарядов ВВ.
3. Искусственное поддержание очистного пространства при выемке руды осуществляется с помощью закладки или реже крепления. Искусственное поддержание связано с затратами труда и материалов, поэтому применяют его главным образом тогда, когда другие способы управления горным давлением неприемлимы технически или не обеспечивают достаточно полной и чистой выемки руд.
Вопросы определения рациональных размеров целиков и камер были рассмотрены ранее, а обрушение пород рассматривается при изучении систем разработок, при которых его применяют. Сейчас рассмотрим основные положения систем разработки с закладкой выработанного пространства.
Закладка заключается в заполнении выработанного пространства пустыми породами или другими материалами и представляет собой один из производственных процессов очистной выемки.
Применение закладки требует затрат, но дает возможность отработать запас этажа без оставления целиков и без обрушения вмещающих пород. Это обеспечивает минимальные потери и разубоживание руды, позволяет сохранить земную поверхность и отрабатывать возгорающиеся руды.
Закладка применяется при разработке ценных руд цветных, благородных и радиоактивных металлов, высококачественных железных руд и иногда горно-химического сырья.
Различают закладку самотечную, механическую, пневматическую, гидравлическую и твердеющую.
Самотечная закладка применяется чаще всего после полной отработки очистной камеры. Материал – пустые породы, получаемые попутно при проведении горных выработок, а также пески, гравий и скальные породы, поступающие с отвалов.
При механической закладкезакладочный материал распределяют в очистном пространстве с помощью скреперных установок, самоходного оборудования, конвейеров, а также метательных закладочных машин.
Гидравлическая закладкасостоит из следующих операций: подготовка закладочного материала (например, дробление), смешение его с водой, гидротранспортирование пульпы по трубам, подготовка выработанного пространства к гидрозакладке, намыв закладочного массива, отвод и осветление воды с последующей ее откачкой на поверхность.
Твердеющая закладка.В качестве закладочного материала используется смесь инертных материалов с вяжущими добавками, которые, реагируя с водой, образуют монолитный массив. Закладочная смесь состоит из инертных наполнителей (песок, гравий, щебень, обесшламленные хвосты обогатительных фабрик, гранулированный шлак), вяжущего, пластификаторов и воды. В качестве вяжущего используют цемент, природные химические соединения (ангидрид, гипс, пирротин), а также молотые шлаки доменного производства и золы ТЭЦ. Прочность закладочных материалов на сжатие относительно невысока (в основном 2,5-7,0 МПа). Тем не менее по устойчивости закладочные массивы за счет вязкости близки к массиву устойчивых пород и выдерживают обнажения, например, вертикальные до 50х50 м 2 и более.
Влияние на горное давление оказывают в значительной степени технологические параметры при проведении горных выработок. Так если образованы две выработки, то горное давление в интервале между ними по сравнению с опорным давлением близ одиночной выработки возрастает в тех случаях, когда расстояние между выработками менее, чем расстояние между максимальными значениями вертикальных сжимающих напряжений. Отсюда следует, что, во-первых, подготовительные выработки по возможности следует располагать на расстоянии от очистного пространства больше, чем расстояния максимальных сжимающих напряжений; во-вторых выемку руды желательно вести так, чтобы число узких участков между очистными выработками было минимальным; в-третьих, образовывать одну очистную выработку от другой на меньшем расстоянии можно лишь при условии, что в этой другой выработке уже возведена искусственная опора (например, из бетонной закладки).
Источник
Управление горным давлением в капитальных и подготовительных выработках
Страницы работы
Содержание работы
УПРАВЛЕНИЕ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ В КАПИТАЛЬНЫХ И ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТКАХ
КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ
Цель управления горным давлением в капитальных и подготовительных выработках—обеспечить выполнение выработками в течение всего срока их службы возлагаемых на них функций — бесперебойность грузопотоков, сохранность оборудования, дебит воздуха в заданных пределах. При этом капиталовложения и эксплуатационные расходы должны быть минимальными.
Способы управления горным давлением в капитальных и подготовительных выработках можно классифицировать следующим образом.
1. Ограничение деформаций горных пород. Это наиболее старый и распространенный способ управления горным давлением в выработках. Уменьшение деформаций до целесообразных пределов позволяет предотвратить образование вывалов, расслоений горных пород, а также их разрушение.
К этому способу относятся: а) возведение крепей; б) оставление целиков; в) возведение на границе выработок искусственных опор; г) комбинированные способы.
2. Изменение напряженно-деформированного состояния окружающих пород для снижения в них напряжений. Это позволяет уменьшить расходы на крепление, повысить устойчивость выработок и срок их службы, т. е. разгрузить массив вблизи выработок. Но в ряде случаев целесообразно, наоборот, подвергнуть краевые зоны пластов угля повышенному давлению с тем, чтобы изменить агрегатное состояние угля, увеличить степень его трещиноватости и интенсифицировать газоотдачу, сделать эти зоны не опасными по выбросам угля и газа.
Основными из этих способов являются: а) проведение выработок по надработанным или подработанным массивам (для этого используют как планомерные подработки и надработки, неизбежные при разработке свит пластов, так и специальные; в последнем случае надработка и подработка могут осуществляться специальными короткими лавами при работе с полным обрушением кровли); б) проведение выработок по обрушенным породам кровли (слеживающимся и неслеживающимся); в) проведение выработок под обрушенными породами кровли ранее отработанных пластов; г) проведение и поддержание выработок на границе выработанного пространства; д) проведение разгрузочных скважин в стенках, краевых зонах и зонах выработок; е) проведение разгрузочных щелей (в стенках и забоях выработок); ж) проведение разгрузочных камер («карманов»); з) воздействие опорным давлением соседних лав на краевые зоны; и) воздействие взрывом;к) гидроразрыв; л) комбинированные.
3. Искусственное повышение несущей способности горных пород, т. е. предельной величины нагрузки, которую может нести в течение заданного времени та или иная часть сооружения (например, кровля, почва, стенки выработки).
К этому способу относятся: а) применение анкерной крепи; б) электрические методы упрочения пород; в) уплотнение пород взрывом.
4. Гидроизоляция пород, окружающих горные выработки. Этот способ преследует разные цели: полное осушение пород, что приводит к снижению деформации и перемещений пород в выработку, устранение опасности возрастания влажности, размокания и набухания пород, предотвращение прорывов воды в выработки. Гидроизоляция может осуществляться: а) осушением выемочных участков, горизонтов, панелей; б) битумизацией; в) цементацией.
Способ управления горным давлением для всех выработок должен выбираться при проектировании. Но в действительности это делается далеко не всегда, поскольку конкретные формы проявлений горного давления в той или иной выработке отличаются от прогнозируемых. Поэтому вопрос выбора оптимального способа управления кровлей часто приходится решать во время эксплуатации.
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ УПРАВЛЕНИЯ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ В КАПИТАЛЬНЫХ И ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТКАХ
Способы снижения напряжений в породах, окружающих выработку
1. Проходка выработки широким ходом как способ снижения напряжений в окружающих породах может рекомендоваться при двусторонней раскоске по одной из схем, показанных на рис. 16 (в зависимости от механических свойств боковых пород).
При проходке выработок широким ходом около выработки создается податливая зона, с помощью .которой разгружаются окружающие породы от опорного давления. Опорное давление гасится в пределах раскоски.
Рис. 16. Расположение бутовых полос при проведении выработки широким ходом
Реализация этого способа возможна при наличии в сечении выработки пласта мощностью до 1—1,2 м. Способ требует дополнительных затрат на проходку и установку крепей высокой податливости. Его применение способствует расслоениям в покрывающих породах и значительным опусканиям, обеспечивает разгрузку нижерасположенного массива.
В капитальных выработках, проходимых по пустым породам, применение этого способа практически исключено, так как образование раскосок в данном случае технологически невозможно и экономически нецелесообразно.
При проходке пластовых выработок наряду со снижением напряжений в окружающих породах решается вопрос оставления породы в шахте и уменьшаются потери в целиках.
2. Предварительная надработка массива, по которому предполагается проведение выработки, и последующая надработка, т. е. выемка залегающего над пройденной выработкой пласта. В первом случае разгрузка массива производится до проведения в нем охраняемой данным способом выработки, и тем самым выработка с момента своего существования оказывается в наиболее благоприятных условиях. Во втором случае неизбежно однократное (разовое) перекрепление охраняемой выработки. Однако и в этом случае при большом сроке службы выработки затраты на однократное перекрепление, явившееся результатом надработки, компенсируются последующим снижением или полной ликвидацией затрат на поддержание.
Условие применения этого способа — наличие вышерасположенного пласта.
3. Двойная проходка, сущность которой состоит в следующем. Первоначально проходят так называемую передовую выработку» площадь сечения которой составляет 50—70 % площади проектного сечения выработки, и крепят эту передовую выработку податливой крепью. После образования зоны неупругих деформаций (через 2—3 мес) расширяют передовую выработку до проектного сечения и крепят ее постоянной крепью, т. е. окончательные работы по проведению и креплению выработки ведут в разгруженном массиве.
Увеличение начальных затрат при двойной проходке до 25% нередко полностью компенсируется снижением затрат на поддержание выработки.
Способ двойной проходки следует рекомендовать при условии, когда предел прочности на сжатие боковых пород меньше максимального опорного давления.
4. Правильный выбор места и времени возведения жесткой постоянной крепи относительно проходческого забоя. Крепь обычно» устанавливается с некоторым отставанием от забоя выработки, к этому времени уже успевает развиться смещение. В результате жесткая крепь не может противостоять уже начавшемуся движению пород и деформируется.
Для исключения деформаций постоянной крепи рекомендуется’ вести ее установку с отставанием от проходческого забоя, когда. заканчиваются основные смещения. Иными словами, предлагается возводить постоянную крепь под защитой уже образовавшейся зоны неупругих деформаций.
Источник
Способы управления горным давлением 3 способа
7. ТЕХНОЛОГИЯ УПРАВЛЕНИЯ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ
Разработка месторождения подземным способом сопровождается образованием больших полостей, которые в конечном счете заполняются вышележащими породами. Это в свою очередь вызывает смещение огромных масс земной коры, что способствует образованию сдвигов, прогибов. Другим становится режим подземных вод и газовыделения. По трещинам разрывов соединяются изолированные до того времени водоносные горизонты, а также освобождаются большие объемы газов, которые появляются в виде спокойных выделений и внезапных выбросов с углем. Все эти изменения происходят в связи с перераспределением напряжений в горных породах.
Силы (или напряжения) в породах, окружающих горную выработку, называются горным д а в л е ни е м.
Так, для глубины 1000 м (а в Донбассе есть шахты глубиной до 1300 м) при средней плотности вышележащих пород 2,5 т/м3 величина горного давления 2500 т/м2. Такому громадному давлению не смогла бы противостоять никакая крепь из известных материалов. Но крепь удерживает не всю толщу пород, а только породы, отслоившиеся от массива.
Давление — специфический феномен горного производства. Никакой другой инженер так не заботится
о поддержании параметров рабочего пространства (помещения), как горный. И это понятно — горное давление, как правило, отрицательно влияет на ход технологического процесса добычи. Оно проявляется в виде деформаций и разрушений пород, угля, крепи, просадке стоек (уменьшении длины), опускания кровли, поднятия почвы. Бывают внезапные выбросы угля и породы, горные удары, стреляния целиков угля и массивов горных пород.
В окрестностях очистной выработки приходят в движение особенно большие массы горных пород. Поэтому важно знать закономерности горного давления. Это позволит разработать эффективные способы управления кровлей и соответствующие им технические средства. Изучением процессов, протекающих в земной коре под влиянием горных работ, занимается наука, которая называется геомеханикой. Управление кровлей — совокупность инженерных мероприятий, обеспечивающих безопасную и производительную работу в очистном забое.
Кровля пласта бывает: ложная, непосредственная и основная (рис. 7.1).
Ложная кровля представлена весьма неустойчивыми породами и обычно обрушаетея сразу после выемки угля. Непосредственная кровля отличается большей устойчивостью и обычно слагается аргиллитами или алевролитами. Для ее поддержания необходима крепь. Основная кровля весьма устойчива и представлена, как правило, песчаником или известняком. Шаг обрушения такой кровли (длина консоли до момента ее облома) значителен — 10—30 м.
13 отдельных случаях ложная и непосредственная кровли могут отсутствовать.
При ведении очистных работ происходят сложные и многообразные процессы, вызванные множеством факторов. Пока не удалось создать единую стройную теорию горного давления. Однако предложен ряд гипотез, которые более или менее точно отражают суть происходящих процессов в определенных горно-геологических условиях. Основными из них являются гипотезы свода, блочного обрушения, комбинированная гипотеза плит и балок, развитая проф. А. А. Борисовым.
Вплотную гипотезами горного давления, расчетными схемами придется заниматься на четвертом и пятом курсах, а пока можно у старшекурсников просмотреть соответствующие учебники. Там есть сложные математические выкладки, громоздкие формулы. Это должно настроить на глубокое изучение фундаментальных наук: математики, физики, теоретической механики, сопротивления материалов и т. д.
Каковы же методы исследования горного давления? Прежде всего экспериментально-производственные, основанные на наблюдениях, измерениях и опытах непосредственно в шахтах и на поверхности. Эти методы позволяют получить полезные данные для установления закономерностей и применения их в практике управления горным давлением, при разработке гипотез, расчетных схем. Однако такие методы трудоемки, их применение ограничено. Лабораторные же методы проще, но менее достоверны.
Из лабораторных методов наиболее широкое распространение и признание получил метод моделиро-вания эквивалентными материалами, развитый в основном советскими учеными. В определенном масштабе сооружается из эквивалентных материалов модель толщи земной коры. Имитируя выемку пласта, осуществляют инструментальные и визуальные наблюдения за деформациями и разрушениями пород.
Аналитические методы пока применяются только для решения частных и простых задач, а также для выражения упрощенных и схематизированных общих закономерностей горного давления. Они должны быть уточнены после накопления экспериментальных данных п усовершенствования самого механико-математического аппарата.
Итак, существуют несколько способов изучения горного давления. Обычно же исследователи пользуются комбинированным, в котором применяются и дополняют друг друга сразу все три метода.
Для поддержания кровли в рабочем пространстве используются искусственные сооружения — крепи. Раньше применялись отрезки стволов хвойных деревьев, теперь — металлические стойки. И те, и другие называются индивидуальной крепыо.
Металлические стойки бывают клиновые (для предотвращения опускания выдвижной части стойки используется клиновый эффект) и гидравлические (с внешним и внутренним питанием). Характерная особенность металлической крепи — способность изменять длину в определенных довольно больших пределах без остаточных деформаций. Она имеет большие первоначальный распор и рабочее сопротивление. Металлические стойки значительно дороже деревянных, но зато используются многократно.
По технологическому признаку различают призабойные и специальные крепи. Призабойная в основном предназначена для поддержания кровли, специальная — для управления ею (создания режущей опоры на границе призабойного и выработанного пространства).
Призабойная крепь состоит из индивидуальных стоек, устанавливаемых под деревянные или металлические верхняки. Верхняки значительно увеличивают площадь контактирования стоек с кровлей, что способствует ее лучшему поддержанию, особенно при неустойчивых породах. При этом получается рамка:
две Или три стойки под верхняк. На пологом падении рамки устанавливаются по простиранию, на крутом — по падению.
Специальная крепь может быть в виде посадочных стоек — клиновых или гидравлических, но со значительно большим первоначальным распором и рабочим сопротивлением; пневмобаллонов, металлических и деревянных костров; органки (частокола из индивидуальных стоек), кустов (групп стоек), закладочного массива.
Иногда поддерживают кровлю в очистном пространстве без крепи — за счет естественной устойчивости пород при небольших размерах обнажений и опоре кровли на целики угля. Обычно таким способом пользуются при камерной системе разработки руд н ы х м есторождений!.
При разработке пластовых угольных месторождений применяются следующие » способы управления кровлей: обрушение, закладка, плавное опускание. Обрушать кровлю можно или по всей площади выработанного пространства (полное обрушение) или на некоторых запланированных участках (частичное обрушение). Второй способ в силу повышенной опасности н большой трудоемкости почти не применяется.
Наибольшее распространение получило полное обрушение, сущность которого показана на рис. 7.2.
Искусственное поддержание кровли в выработанном пространстве может быть достигнуто также за счет заполнения его закладочными материалами. В результате падает давление горных пород на призабойную крепь. Кроме этого закладочный массив способствует уменьшению утечки воздуха через выработанное пространство, повышению устойчивости прилегающих подготовительных выработок и сохранению от разрушения зданий и сооружений на поверхности.
В условиях Донбасса при разработке пологих пластов обычно применяется частичная закладка, при которой в выработанном пространстве сооружаются бутовые полосы из породы, получаемой при подрывке кровли в бутовых штреках (рис. 7.3).
Рис. 7.3. Управление кровлей частичной закладкой
Ширину бутового штрека можно определить по формуле, смысл которой можете легко понять сами, Частичная закладка — трудоемкий и повышенной опасности процесс. Применяется в исключительных елучах, в основном при труднообрушаемой кровле. Иногда делают полную закладку.
При определенных свойствах пород кровли и малой мощности пласта происходит опускание кровли на большой площади без существенных ее разрывов. Такой способ называется плавным опусканием.
В последние годы в нашей стране и за рубежом начали интенсивно проводить работы по созданию механизированных крепей. Усилия увенчались успехом. В настоящее время в некоторых бассейнах (например в Подмосковном) все процессы крепления призабойного пространства и управления кровлей механизированы.
На рис. 7.4 показана секция механизированной крепи. Суть работы существующих механизированных разгрузочных крепей заключается в том, что в определенном порядке секции выводятся из-под давления (разгружаются), передвигаются по ходу движения очистного забоя и вновь распираются между почвой и кровлей в новом положении. Недостаток этого способа передвижения — слабые породы кровли разрушаются, происходит интенсивное опускание кровли, вывалы кусков породы. Поэтому применение разгрузочных крепей при неустойчивой кровле неэффективно.
Для неустойчивой кровли разрабатываются без-разгрузочные крепи, секции которых передвигаются, продолжая эффективно поддерживать кровлю. Одна из разновидностей безразгрузочной крепи показана на рис. 7.5.
Рис. 7.5. Секция безразгрузочной механизированной крепи:
1—прижимкой козырек: 2— перекрытие (гусеничное); 3— гидропатрон;
4— стойки гидравлические; 5—ограждение; б -• нижнее гусеничное шасси
Управление кровлей и крепление регламентируются соответствующими документами — паспортами, их составление—ответственное инженерное дело.
Вопросы управления состоянием горного массива н методика разработки паспорта управления кровлей и крепления лав изучаются на четвертом курсе.
Разработка стройной теории горного давления позволит создать эффективные и надежные механизированные крепи для широкого диапазона горно-геологических условий.
Источник
